Тема 1. Основные понятия теплообмена

Тепломассообмен (ТМО) – наука о самопроизвольных необратимых процессах распространения теплоты и массы в пространстве в переменном поле температур и переменном поле концентраций.

Согласно второму закону термодинамики самопроизвольный процесс передачи теплоты и массы направлен в сторону уменьшения температуры и концентрации данного компонента смеси.

В отличие от термодинамики ТМО рассматривает развитие процессов в пространстве и времени. В результате расчета процессов тепломассообмена находят распределения температур, концентраций компонентов смеси, а также потоков теплоты и массы как функции координат и времени.

В нашем кратком курсе будем рассматривать только процессы теплообмена в данном теле или системе тел, поэтому наша задача научиться рассчитывать температурные поля и тепловые потоки и их развитие в пространстве и времени.

Характеристика теплоносителей Выбор теплоносителей определяется назначением теплообменного аппарата (ТА), условиями его эксплуатации, теплофизическими свойствами теплоносителей, их доступностью, стабильностью в процессе длительной эксплуатации.

В процессе теплообмена теплоносители могут изменять свое фазовое состояние т.е. конденсироваться или испаряться. «Однофазные» теплоносители, т.е. не меняющие фазовое состояние, могут быть упругими (газы) или капельными жидкостями. В физике эти среды носят название жидкостей и по методике расчета теплоотдачи от обеих жидкостей принципиального различия между ними нет.

Из теплофизических свойств теплоносителей существенными для расчета ТА являются те, которые определяют интенсивность теплоотдачи и величину гидравлического сопротивления в каналах ТА.

Плотность и теплоемкость позволяет при небольших перепадах температур передать большие тепловые потоки. С этой точки зрения вода имеет значительные преимущества по сравнению с любыми газами.

Теплопроводность способствует повышению теплоотдачи от среды к границе раздела.

Вязкость существенно влияет на теплообмен и гидравлическое сопротивление. Вязкость сильно зависит от температуры и с ее увеличением понижается.

Температура кипения теплоносителя должна быть сравнительно высокой это позволит предотвратить вскипание при невысоких давлениях.

Теплоносители должны отвечать следующим требованиям:

- быть химически стабильными, не вступать в реакцию с материалом теплообменника, т.е. не оказывать коррозионного воздействия, и не образовывать агрессивных и взрывоопасных смесей при смешении с другими теплоносителями;

- обладать высокой теплоемкостью и малой вязкостью;

- иметь достаточную теплостойкость;

- быть доступным и иметь невысокую стоимость;

- иметь высокие температуры кипения и воспламенения;

- быть удобными в транспортировании и хранении.

Применяемые теплоносители не отвечают всем требованиям одновременно.

В качестве охлаждающих теплоносителей в области положительных температур наиболее часто используют воду и воздух, при отрицательных температурах – растворы солей (NaCl, CaCl₂ и др.), хладагенты, антифризы и др.

В качестве греющих теплоносителей чаще всего применяют водяной пар, воду, дымовые газы, органические высококипящие жидкости, масла.

Рассмотрим кратко основные применяемые в системах ТГВ теплоносители.

Вода как теплоноситель имеет много преимуществ: высокие плотность и теплоемкость обуславливают возможность высокой теплоотдачи; малая коррозионнная активность, низкая стоимость, доступность и безвредность. Эти преимущества обеспечили широкое применение воды как теплоносителя в стационарных и транспортных установках.

Теплофизические свойства воды на линии насыщения в диапазоне температур 10-100 °С могут быть описаны уравнениями:

плотность , кг/м³;

теплоемкость

теплопроводность

кинематическая вязкость

Воздух также широко используется как охлаждающая среда.

Однако он имеет небольшую теплоемкость и характеризуется низкими коэффициентами теплоотдачи.

В диапазоне температур 10 – 150^о С и давлениях 98-980 кПа можно определить теплофизические характеристики по формулам:

, кг/м³,

С_р = 1,005 + 1,19× 10^-4 – t ,

,

при t = 0 ¸ 140 коэффициент кинематической вязкости :

ν = 10^-6 (13,7 + 0,101t) м²/с,

при t = 140 ¸ 400^о С:

ν = 10^-6 (6,7 + 0,145t) м²/с,

Водяной пар в системах ТГВ используется обычно при t = 150 – 200^о С. Пар имеет большую теплоту парообразования, удобен для транспортировки по трубопроводам.

Дымовые газы образуются при сгорании топлива в котлах, печах, сушильных установках. В состав дымовых газов входят СО₂, N₂ , Н₂О, избыточный воздух, СО, NО – в небольших количествах.

Дымовые газы мало агрессивны, имеют небольшую теплоемкость и низкий коэффициент теплоотдачи.

Высокотемпературные органические теплоносители. Они нашли широкое применение в технологических процессах химической технологии для нагрева до t > 150^о С. ВОТ можно разделить на три группы:

- однокомпонентные; (дифенил, глицерин)

- многокомпонентные; (дифенильная смесь, гидротерфенилы)

- минеральные масла (масло АМТ – 300).

Минеральные масла относятся к наиболее распространенным и изученным ВОТ.

При длительной работе t > 200^о С наблюдается частичное разложение масла, что приводит к частичному осмолению поверхности.